带有高变比耦合线圈的单线电能传输技术研究

摘要

目前，广泛使用的有线电能传输技术存在着诸多问题：输电线和电线塔会消耗大量的金属资源、在易燃易爆场合存在安全隐患、在为移动设备供电时会影响设备灵活性。而已有的无线电能传输（WirelessPower Transfer，WPT）技术尚不成熟，因此本文针对介于二者之间的单线电能传输技术展开了深入的研究。单线电能传输技术仅使用一根导线连接电源和负载，若使用大地、江河湖海等自然介质代替这根导线，便可大幅度提高应用的灵活性，实现无线或准无线电能传输，从而为解决偏远山区和海上孤岛的供电问题提供可能。 本文对两种带有高变比耦合线圈的单线电能传输系统进行了研究，分别是带有双闭合线圈的单线电能传输系统和使用特斯拉线圈的单线电能传输系统。针对带有双闭合线圈的单线电能传输系统，本文建立了系统的集中参数电路模型，并根据实际工作条件，对电路模型进行了合理简化，使用简化后的电路模型，从理论上分析了系统的工作频率。 详细介绍了高频发射电源的设计与制作，对比了高频逆变电源常见的电路拓扑，完成了主电路拓扑结构的选择，并根据电源的主电路进行了整体方案的设计、相关元器件的选型和死区时间的计算。采用实验的方法研究了使用特斯拉线圈的单线电能传输系统的频率特性和负载特性，并通过不同系统结构的实验进一步探索了系统的工作原理、验证了电路模型的合理性和准确性。 从不同角度对带有双闭合线圈的单线电能传输系统进行了实验研究，包括系统的频率特性、负载特性、距离特性，以及单根导引线的长度和阻抗对传输效果的影响。最后，通过实验验证了系统在去掉单根导引线后实现无线电能传输的可行性，并进行了初步的实验探索。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 单线电能传输技术的国外研究现状

1.2.2 单线电能传输技术的国内研究现状

1.3 本文研究目的及主要研究内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 主要研究内容

2 单线电能传输系统的建模与工作频率分析

2.1 单线电能传输系统的结构

2.2 带有双闭合线圈的单线电能传输系统的建模

2.3 带有双闭合线圈的单线电能传输系统的工作频率分析

2.4 本章小结

3 单线电能传输系统的设计与制作

3.1 特斯拉线圈的制作

3.2 高频发射电源的设计与制作

3.2.1 主电路拓扑结构的选择

3.2.2 整体方案的设计与元器件选型

3.2.3 死区时间的计算

3.3 本章小结

4 单线电能传输技术的实验研究

4.1 使用特斯拉线圈的单线电能传输系统实验

4.1.1 系统的频率特性

4.1.2 传输效率与接收侧负载电阻值的关系

4.1.3 传输效率与传输功率的关系

4.1.4 使用特斯拉线圈的其他结构电能传输系统的实验探索

4.1.5 使用特斯拉线圈的单线电能传输系统的安全性探讨

4.2 带有双闭合线圈的单线电能传输系统的实验

4.2.1 搜索最佳负载电阻值的实验

4.2.2 高压绕组短接线的电流和单根导引线的电流与传输功率的关系

4.2.3 谐振频率和传输效率与单根导引线长度的关系

4.2.4 单根导引线串入RLC元件的实验

4.2.5 谐振频率和传输效率与传输距离的关系

4.2.6 带有双闭合线圈的无线电能传输系统的实验

4.3 本章小结

结论

未来研究展望

参 考 文 献

附录A 调频电路的PCB图

附录B 高频发射电源的PCB图

附录C PCB走线宽度与温度及其承载的额定电流的关系

攻读硕士学位期间发表学术论文与申请专利情况

致谢

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